论文部分内容阅读
摘要：本文介绍了“电路理论”课中电路频率特性的研究型教学方案。按照从感性认识到理性认识的过程，首先通过仿真方法将电路变量随频率变化而变化的情况展现给学生。然后，通过启发和讨论，逐步引导学生独立思考，并进行理论分析。在此基础上，引导学生运用所学知识分析给定电路的频率特性或根据要求设计所需电路。在分组讨论后，由教师通过电路仿真对电路的频率特性加以验证。通过这一过程，加深学生对课堂教学内容的认识并学以致用，培养学习兴趣和独立思考能力。
关键词：电路理论；研究型教学；电路仿真；频率特性
作者简介：李冠林（1979-），女，吉林省吉林市人，大连理工大学电气工程学院，讲师，工学博士，主要研究方向：电能变换技术；陈希有（1962-），男，黑龙江哈尔滨人，大连理工大学电气工程学院，教授，工学博士，主要研究方向：电能变换技术。（辽宁 大连 116023）
基金项目：本文系大连理工大学教学改革面上基金项目（项目编号：MS201004）的研究成果。
“电路理论”课是国内外电类各专业本科生必修的重要专业基础课。目前大连理工大学电类专业学生在大一下学期开始学习电路理论课，两年后再分流到各电类专业。该课程作为学生接触的第一门专业课程，对学生后续专业课学习有很大影响。目前，“电路理论”课程教学主要面临以下几个问题：授课内容多，信息量大，导致学生无法跟上老师思路；理论教学和工程实际脱节，导致学生只会做书本上的题，不会运用知识；考核模式比较单一，主要以理论计算为主，不涉及应用，不利于调动学生的学习兴趣，发展创新思维。
一、“电路理论”课程研究型教学改革现有成果及设想
针对上述问题国内不少高校都进行了教学改革，其中比较突出的是清华大学电路课程的研究型教学改革，其经验主要有两点。[1]
首先，在教学理念上进行调整。传统教学中，往往以教学内容的深度和考试试题的难度来判断和评价教学的水平。而重点高校的目标是将学生培养成为“学术大师、治国之才、兴业之士”，即无论学生今后从事什么职业，学生在学校期间所获得的教育要为其日后发展打下坚实的基础。“电路理论”课作为专业基础课，一方面要让学生掌握扎实的电路分析基本功，另一方面也要拓展学生视野，训练和培养学生独立思考和解决问题的能力，提高学生的学习兴趣。
其次，在教学方法上也需要不断进行探索，例如根据教学内容开展启发式教学、讨论式教学等多种教学形式，以达到在教学过程中培养学生的研究能力和研究兴趣的目的。
开展“电路理论”课的研究型教学是开阔学生视野、提高学习兴趣、培养研究能力的重要教学模式。将电路仿真和电路实验引入课堂教学，从学生的认知过程出发，引导学生从理论分析到仿真验证，再到实验验证，逐步认识和掌握电路理论的内容，是开展研究型教学的有效手段之一。[1，2]目前，Multisim、Pspice等仿真软件已经具备很强大的电路设计功能，而且仿真方法也已经是开展科学研究的重要方法。这些仿真软件具有直观的图形界面、丰富的元器件库和丰富的测试仪器，整个操作界面就像一个电子实验工作台，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。利用仿真软件可以进行直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、传输函数分析、灵敏度分析等。在电路仿真时，可以随时将所需电子元器件和高指标虚拟仪器拖放到工作区使用，并能实时显示有关数据和波形，非常方面灵活，易于实现。学生掌握了仿真软件后，只需要有仿真软件和计算机就可以进行电路仿真实验，打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验，增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力，扩展了学生的实践空间和实验内容。掌握仿真软件是工程教育和研究型教学的重要内容，对学生今后的研究工作很有帮助。
虽然国内高校对专业课中的研究型教学提出了很多建设性的思路和观点，但是对“电路理论”课研究型教学的一些具体方案还有待于进一步完善。下面以频率特性的教学内容的开展为例，[3]介绍对该课程课堂研究型教学的探索与实践方案。
首先针对频率特性的教学内容，基于仿真软件特点，从学生的感性认识入手，给出电路的输出信号随输入信号频率的变化规律，引导学生思考产生变化的原因，引出网络函数的相关概念。
再以简单而典型的RLC串联电路的频率特性分析为例，探讨频率特性和谐振现象，总结相关概念和规律。
最后，采用分组讨论的形式，布置课堂思考题并利用仿真软件给出结果。
在这一教学过程中，教学内容是以教学基本要求和参考教材为依据，教学方法主要采用启发式及讨论式教学模式，教学手段主要采用板书和计算机仿真相结合的形式。
通过上述教学方案的设计，训练和培养学生独立思考和解决问题的能力，提高学生的学习兴趣。下面从几方面介绍教学方案。
二、从感性认识入手引出网络函数频率特性
在讲电路频率特性之前，首先通过仿真方法，将同一电路在不同频率输入信号作用下的输出展示给学生，使其比较直观地感受到频率对电路响应的影响。例如，选择简单的RC电路进行仿真实验。输入信号源的频率从100Hz变换到500Hz，观察电容两端电压（或电阻端电压）。通过虚拟示波器，让学生直观看到频率变化对电容电压的影响情况。
引导学生独立思考，为什么在电路结构和参数没有变化的情况下，仅改变输入信号的频率，就可以改变电路的响应。在课堂上给学生一些时间来总结当输入信号的频率变化时，输出电压的幅度和相位发生了哪些变化，并思考产生这些变化的原因。
写出电容电压相量和电源电压相量之间的关系：
从而引出频率特性和网络函数的概念：
启发和引导学生分析网络函数的模和相位随频率的变化情况。利用仿真得到RC电路的频率特性。将仿真结果与理论分析结果对照，让学生们自己思考如何通过频率特性解释之前看到的现象。
接下来，再根据RC电路的频率特性，分析能够通过该电路的频率范围，引出滤波器、相移网络、截止频率和通频带等概念。
三、分析典型电路的频率特性
以RC电路的频率特性分析过程为基础，让学生分组研究RLC串联电路的频率特性，分别取R、L、C上电压为输出，绘制相应的频率特性图。之后，根据频率特性，引导学生思考，如果从小到大变动输入信号源的频率，R、L、C各元件上输出电压的幅度和相位将会发生怎样的变化？尤其是对发生谐振时的情况进行详细分析。采用讨论的形式，最后给出结论。
在理论分析基础上，进行仿真验证。图1为RLC串联电路频率特性的Multisim仿真原理图。利用虚拟仪器画出网络函数的频率特性——分别以电阻电压为响应、以电压源为激励得出网络函数的频率特性。
为进一步使学生理解频率特性，教师不断调节电源频率，让学生观察电阻电压的变化情况。仿真结果如图2所示。根据仿真结果很容易观察到电阻电压相对于电源电压的幅度和相位的变化情况，从而验证理论分析结果。
再对RLC串联电路谐振时的情况进行重点研究，让学生观察谐振时电路各元件上的电压波形。通过虚拟仪器测量得到谐振时电阻电压等于电源电压，而电感和电容电压恰好大小相等，相位相反，测电感和电容串联支路的两端电压为0。通过虚拟示波器同时观察电源电压和电容电压，让学生思考其幅值大小及相位关系和电路的哪些因素有关，加深学生对谐振与电路频率特性关系的理解。
在以上教学基础上，教师还可以不断变动R、L、C的参数，让学生思考并讨论电路频率特性的变化情况，并利用仿真软件加以验证，进一步加深学生对频率特性的认识及理解。
四、布置课堂思考题运用所学知识
根据讲授的内容，提出课堂思考题，让学生能够运用所学知识进行简单的分析和设计并独立思考。
例如，假设某频率范围在200－300Hz的音频信号被调制到20MHz后，设计接收机接收该信号，并抑制其他频段信号。利用所学知识，进行自由式设计，最后，通过仿真进行验证。
通过这种课堂思考题，锻炼学生思考和解决问题的能力。
五、结论
在“电路理论”课频率特性的研究型教学过程中，借助电路仿真，通过启发式和讨论式模式，使学生能够在思考中一步步获得知识，增强了学生的参与性，提高了教学效果，同时锻炼了学生独立思考和分析问题的能力。通过教学实践可以发现，借助电路仿真，可以直观地提出问题并对理论分析结果进行验证，在理论课教学中是开展研究型教学的有效手段之一。今后还要设计一些适用于研究型教学的教学案例，丰富教学内容。
参考文献：
[1]于歆杰,陆文娟,王树民.专业基础课中的研究型教学——清华大学电路原理课案例研究[J].高等工程教育研究,2006,(1):118-121.
[2]肖冬萍,李新.仿真实验在“电路原理”理论教学中的应用[J].电气电子教学学报,2009,31(2):97-99.
[3]陈希有,孙立山,柴凤.电路理论基础(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2004.
（责任编辑：刘辉）
关键词：电路理论；研究型教学；电路仿真；频率特性
作者简介：李冠林（1979-），女，吉林省吉林市人，大连理工大学电气工程学院，讲师，工学博士，主要研究方向：电能变换技术；陈希有（1962-），男，黑龙江哈尔滨人，大连理工大学电气工程学院，教授，工学博士，主要研究方向：电能变换技术。（辽宁 大连 116023）
基金项目：本文系大连理工大学教学改革面上基金项目（项目编号：MS201004）的研究成果。
“电路理论”课是国内外电类各专业本科生必修的重要专业基础课。目前大连理工大学电类专业学生在大一下学期开始学习电路理论课，两年后再分流到各电类专业。该课程作为学生接触的第一门专业课程，对学生后续专业课学习有很大影响。目前，“电路理论”课程教学主要面临以下几个问题：授课内容多，信息量大，导致学生无法跟上老师思路；理论教学和工程实际脱节，导致学生只会做书本上的题，不会运用知识；考核模式比较单一，主要以理论计算为主，不涉及应用，不利于调动学生的学习兴趣，发展创新思维。
一、“电路理论”课程研究型教学改革现有成果及设想
针对上述问题国内不少高校都进行了教学改革，其中比较突出的是清华大学电路课程的研究型教学改革，其经验主要有两点。[1]
首先，在教学理念上进行调整。传统教学中，往往以教学内容的深度和考试试题的难度来判断和评价教学的水平。而重点高校的目标是将学生培养成为“学术大师、治国之才、兴业之士”，即无论学生今后从事什么职业，学生在学校期间所获得的教育要为其日后发展打下坚实的基础。“电路理论”课作为专业基础课，一方面要让学生掌握扎实的电路分析基本功，另一方面也要拓展学生视野，训练和培养学生独立思考和解决问题的能力，提高学生的学习兴趣。
其次，在教学方法上也需要不断进行探索，例如根据教学内容开展启发式教学、讨论式教学等多种教学形式，以达到在教学过程中培养学生的研究能力和研究兴趣的目的。
开展“电路理论”课的研究型教学是开阔学生视野、提高学习兴趣、培养研究能力的重要教学模式。将电路仿真和电路实验引入课堂教学，从学生的认知过程出发，引导学生从理论分析到仿真验证，再到实验验证，逐步认识和掌握电路理论的内容，是开展研究型教学的有效手段之一。[1，2]目前，Multisim、Pspice等仿真软件已经具备很强大的电路设计功能，而且仿真方法也已经是开展科学研究的重要方法。这些仿真软件具有直观的图形界面、丰富的元器件库和丰富的测试仪器，整个操作界面就像一个电子实验工作台，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。利用仿真软件可以进行直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、传输函数分析、灵敏度分析等。在电路仿真时，可以随时将所需电子元器件和高指标虚拟仪器拖放到工作区使用，并能实时显示有关数据和波形，非常方面灵活，易于实现。学生掌握了仿真软件后，只需要有仿真软件和计算机就可以进行电路仿真实验，打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验，增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力，扩展了学生的实践空间和实验内容。掌握仿真软件是工程教育和研究型教学的重要内容，对学生今后的研究工作很有帮助。
虽然国内高校对专业课中的研究型教学提出了很多建设性的思路和观点，但是对“电路理论”课研究型教学的一些具体方案还有待于进一步完善。下面以频率特性的教学内容的开展为例，[3]介绍对该课程课堂研究型教学的探索与实践方案。
首先针对频率特性的教学内容，基于仿真软件特点，从学生的感性认识入手，给出电路的输出信号随输入信号频率的变化规律，引导学生思考产生变化的原因，引出网络函数的相关概念。
再以简单而典型的RLC串联电路的频率特性分析为例，探讨频率特性和谐振现象，总结相关概念和规律。
最后，采用分组讨论的形式，布置课堂思考题并利用仿真软件给出结果。
在这一教学过程中，教学内容是以教学基本要求和参考教材为依据，教学方法主要采用启发式及讨论式教学模式，教学手段主要采用板书和计算机仿真相结合的形式。
通过上述教学方案的设计，训练和培养学生独立思考和解决问题的能力，提高学生的学习兴趣。下面从几方面介绍教学方案。
二、从感性认识入手引出网络函数频率特性
在讲电路频率特性之前，首先通过仿真方法，将同一电路在不同频率输入信号作用下的输出展示给学生，使其比较直观地感受到频率对电路响应的影响。例如，选择简单的RC电路进行仿真实验。输入信号源的频率从100Hz变换到500Hz，观察电容两端电压（或电阻端电压）。通过虚拟示波器，让学生直观看到频率变化对电容电压的影响情况。
引导学生独立思考，为什么在电路结构和参数没有变化的情况下，仅改变输入信号的频率，就可以改变电路的响应。在课堂上给学生一些时间来总结当输入信号的频率变化时，输出电压的幅度和相位发生了哪些变化，并思考产生这些变化的原因。
写出电容电压相量和电源电压相量之间的关系：
从而引出频率特性和网络函数的概念：
启发和引导学生分析网络函数的模和相位随频率的变化情况。利用仿真得到RC电路的频率特性。将仿真结果与理论分析结果对照，让学生们自己思考如何通过频率特性解释之前看到的现象。
接下来，再根据RC电路的频率特性，分析能够通过该电路的频率范围，引出滤波器、相移网络、截止频率和通频带等概念。
三、分析典型电路的频率特性
以RC电路的频率特性分析过程为基础，让学生分组研究RLC串联电路的频率特性，分别取R、L、C上电压为输出，绘制相应的频率特性图。之后，根据频率特性，引导学生思考，如果从小到大变动输入信号源的频率，R、L、C各元件上输出电压的幅度和相位将会发生怎样的变化？尤其是对发生谐振时的情况进行详细分析。采用讨论的形式，最后给出结论。
在理论分析基础上，进行仿真验证。图1为RLC串联电路频率特性的Multisim仿真原理图。利用虚拟仪器画出网络函数的频率特性——分别以电阻电压为响应、以电压源为激励得出网络函数的频率特性。
为进一步使学生理解频率特性，教师不断调节电源频率，让学生观察电阻电压的变化情况。仿真结果如图2所示。根据仿真结果很容易观察到电阻电压相对于电源电压的幅度和相位的变化情况，从而验证理论分析结果。
再对RLC串联电路谐振时的情况进行重点研究，让学生观察谐振时电路各元件上的电压波形。通过虚拟仪器测量得到谐振时电阻电压等于电源电压，而电感和电容电压恰好大小相等，相位相反，测电感和电容串联支路的两端电压为0。通过虚拟示波器同时观察电源电压和电容电压，让学生思考其幅值大小及相位关系和电路的哪些因素有关，加深学生对谐振与电路频率特性关系的理解。
在以上教学基础上，教师还可以不断变动R、L、C的参数，让学生思考并讨论电路频率特性的变化情况，并利用仿真软件加以验证，进一步加深学生对频率特性的认识及理解。
四、布置课堂思考题运用所学知识
根据讲授的内容，提出课堂思考题，让学生能够运用所学知识进行简单的分析和设计并独立思考。
例如，假设某频率范围在200－300Hz的音频信号被调制到20MHz后，设计接收机接收该信号，并抑制其他频段信号。利用所学知识，进行自由式设计，最后，通过仿真进行验证。
通过这种课堂思考题，锻炼学生思考和解决问题的能力。
五、结论
在“电路理论”课频率特性的研究型教学过程中，借助电路仿真，通过启发式和讨论式模式，使学生能够在思考中一步步获得知识，增强了学生的参与性，提高了教学效果，同时锻炼了学生独立思考和分析问题的能力。通过教学实践可以发现，借助电路仿真，可以直观地提出问题并对理论分析结果进行验证，在理论课教学中是开展研究型教学的有效手段之一。今后还要设计一些适用于研究型教学的教学案例，丰富教学内容。
参考文献：
[1]于歆杰,陆文娟,王树民.专业基础课中的研究型教学——清华大学电路原理课案例研究[J].高等工程教育研究,2006,(1):118-121.
[2]肖冬萍,李新.仿真实验在“电路原理”理论教学中的应用[J].电气电子教学学报,2009,31(2):97-99.
[3]陈希有,孙立山,柴凤.电路理论基础(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2004.
（责任编辑：刘辉）